超快激光是激光中的一種，是脈沖波在fs量級上的激光。飛秒（fs）是極短的時間單位，即10^-15s ,僅僅是1千萬億分之一秒，如果將10fs作為幾何平均來衡量宇宙，其壽命僅不過1min而已。在如此短的時間內產生的脈沖波，我們可以預料到一定有著許多有趣的性質，內為我們的科學實驗帶來許多幫助。

激光，顧名思義是“激發(fā)出來的光”，產生的物理基礎是原子的受激輻射，這個過程是由愛因斯坦最早在1916年在理論上發(fā)現(xiàn)的。受激輻射概念剛提出時沒有收到應有的重視，雖然1924年就有一位德國的科學家在實驗上簡介地證實了受激輻射的存在。但真正導致熱門重新發(fā)掘受激輻射概念所隱含的巨大潛力是在二次世界大戰(zhàn)之后，當人們企圖將想干滇西波段從長波擴展到微波乃至光波是，發(fā)現(xiàn)只有借助于分子、原子這樣的圍觀體系才能實現(xiàn)短波長的相干電磁波放大，愛因斯坦的受激輻射正是實現(xiàn)這種想干放大的物理機制。

要產生激光，需要解決兩個矛盾。首先是受激輻射與受激吸收的矛盾。根據(jù)玻爾茲曼分布，熱平衡的原子體系中總有低能級上的原子數(shù)多于高能級上的原子數(shù)，當光與體系發(fā)生相互作用時，由于吸收比受激發(fā)輻射顯著，結果是將導致光信號的衰減。因此，產生激光的一個基本條件就是要實現(xiàn)體系中粒子數(shù)的反轉。已處于粒子數(shù)反轉的戒指叫做激活介質貨增益介質，它具有對光信號的放大能力。為使粒子數(shù)反轉，需一外界能源以適當?shù)姆绞綄υ�子體系產生作用（泵浦），此能源被稱為泵浦源。產生激光所要解決的另外一個矛盾就是受激輻射與自發(fā)輻射的矛盾。在原子體系中，這兩種過程同時存在，相互競爭。為產生激光，需使受激輻射處于優(yōu)勢地位。為此，需選擇合適結構的光腔（或足夠長的激活介質），在軸線方向的自發(fā)輻射通過反復增益獲得較高的光場能量密度，從而得以受激輻射為主的輸出。

激光與普通光源又極大的不同，它具有高亮度、高方向性、高單色性和高相干性等特征。在加工、存儲、醫(yī)療、通信、雷達、科研、國防等領域有著極為廣泛的應用。而飛秒激光作為一種特殊的激光，在各種性質加強后經歷了量變到質變的過程，有著更為奇特的性質。

飛秒激光不是一直發(fā)射的，而是每個一段時間T發(fā)射的一個包絡。其脈寬極短，每個脈寬持續(xù)的時間都在飛秒量級。此外，飛秒激光不再是單色的了，而是具有不同顏色成分。這與傳統(tǒng)意義上的激光已經不同了。

超快激光具有極高的功率和功率密度，目前一個激光系統(tǒng)甚至可產生高達10¹⁵瓦的峰值功率，而全世界電網(wǎng)的平均功率只不過10¹²瓦數(shù)量級。如此高的功率下可以創(chuàng)造出許多極端的實驗環(huán)境，如超強光場：10²¹ W/cm ，超強電場：> 10¹¹ V/cm，超強磁場：> 10⁹ G，超高加速度：10¹⁹  g，超高溫：>10⁹  K，超高壓: >  10⁸Bar 。這為我們研究極端條件下的物理現(xiàn)象提供可能。 近年來新型小型化超快激光技術的迅猛發(fā)展，為人類提供了全新的實驗手段與極端的物理條件。這種在實驗室中創(chuàng)造的極端物理條件，目前還只有在核爆中心、恒星內部、或是黑洞邊緣才能找到。在當今超快激光技術已經提供并將由于其進一步發(fā)展而能提供的越來越強并越來越快的光場條件下，激光與各種形態(tài)物質之間的相互作用，將進入到前所未有的高度非線性與相對論性起主導作用的強場超快范圍，并將進一步把光與物質的相互作用研究深入到更深的物質層次，甚至光與真空的相互作用，由此開創(chuàng)了超快激光這一全新的現(xiàn)代科學技術前沿領域。

近十幾年來，由于啁啾脈沖放大(chirped pulse amplification, 簡稱CPA)技術的提出和應用，寬帶激光晶體材料（如摻鈦藍寶石）的出現(xiàn)，以及克爾透鏡鎖模技術的發(fā)明，使超快激光技術得到迅猛發(fā)展。小型化飛秒太瓦（10¹²瓦）甚至更高數(shù)量級的超快激光系統(tǒng)已在各國實驗室內建成并發(fā)揮重要作用。最近，更短脈沖和更高功率的激光輸出，如直接由激光振蕩器產生的短于5飛秒的激光脈沖，小型化飛秒100太瓦級超快激光系統(tǒng)，以及CPA技術應用到傳統(tǒng)大型釹玻璃激光裝置上獲得1拍瓦（ 10¹⁵瓦）級激光輸出已有報道，激光功率密度達到10¹⁹ ～10²⁰ 瓦 /厘米² 的超快激光與物質相互作用研究也已開始進行。

傳統(tǒng)的激光放大采用直接的行波放大，而對超短激光脈沖來說，隨著能量的提高，其峰值功率將很快增加，并出現(xiàn)各種非線性效應及增益飽和效應，從而限制了能量的進一步放大。

CPA技術的原理是，在維持光譜寬度不變的情況下通過色散元件將脈沖展寬好幾個數(shù)量級，形成所謂的啁啾脈沖。這樣，在放大過程中，即使激光脈沖的能量增加很快，其峰值功率也可以維持在較低水平，從而避免出現(xiàn)非線性效應及增益飽和效應，保證激光脈沖能量的穩(wěn)定增長。當能量達到飽和放大可獲得的能量之后，借助與脈沖展寬時色散相反的元件將脈沖壓縮到接近原來的寬度，即可使峰值功率大大提高。